IGBT模块散热产品

IGBT模块的内部结构取决于其电性能、热条件。温度相对来说更为重要，IGBT模块的储存和使用温度可以为-55-175℃(2010年)。所用材料必须在整个温度范围内满足。塑胶、陶瓷、金属(主要是铜和铝)和硅胶必须可靠，无论是单独使用还是与其他材料联合使用，都不会对半导体芯片造成损害。

因为IGBT模块设备运行的电压和电流不同，所采用的制造方法也是多种多样的。除衬底、 DCB和半导体外，分立的 IGBT或工作电流40 A的分立 IGBT或 IGBT模块通常采用复合组件封装技术，具有相应的并行解决方案。在相同功率、相同电压、相同电流条件下，采用硅胶固定的塑料框封装结构。当前，厂商更倾向于后者的封装结构。上一代 IGBT模块仍在使用，这些装置一般是塑料框架和盖板结构，再经硅胶固定，最后注入环氧树脂。表1给出了包含衬底的标准 IGBT的结构。也有一种改进的封装结构，称为压装，通常用于高性能晶闸管的封装。

IGBT模塑构架

IGBT模架的材料全部采用塑料材料，这些塑料必须符合高规格要求。第一，在使用温度时，封装的塑料必须具有机械稳定性，并具有较高的拉伸强度。另外一个关键问题是环境温度，比如电力牵引，可以在-55-125℃的环境温度下工作。另外，许多 IGBT元件直接焊接在印刷电路板上，尤其在中低功率场合。IGBT部分的焊接接头在焊接过程中会使塑料框架上的温度超过250℃。IGBT组件的封装必须保证在焊接期间不会被破坏。三是塑料必须绝缘。要保持足够的爬电距离(封装内)并承受高电磁污染，就需要较高的 CTI值。

塑料也必须符合国际标准和规范。尽管电力电子组件生产商遍布全球，但其产品必须符合 NFF, UL, CSA, CCC, IEC, EN和 VDE等标准。比如，用于电力牵引的 IGBT模块必须满足NFF16101 (法国防火标准)。按照UL94 VO的规定，所有的塑料即使很薄也必须是自动熄灭的。他们也要符合UL1557 (半导体设备电气绝缘标准)、 IEC 60749 (机械和环境试验标准)、 IEC 60747-15 (分立器件-第15部分绝缘半导体器件)。此外，塑料，尤其是在中低功率场合，也必须符合 RoHs规范。法规规定，这些材料不得含有诸如卤和锑等有害物质。最理想的是，所用的塑料必须不吸水，并能印上标签(例如激光打标)。高分子塑料能满足这些严格要求。一些标准聚合物不能满足这些要求，如 PE (聚乙烯)、 PP (聚丙烯)和 PVC (PVC)，因此不能用于电力电子设备。一些塑料如 PPS (PPS)和 PBT (聚对苯二甲酸丁二醇酯)可用于标准 IGBT模块和 IPM。PPS是一种耐高温的热塑性材料，在连续使用中可耐受240℃高温，在短时间内(例如焊接时)可承受270℃高温而不受损害。PPS是一种具有较高 CTI值的非导体，具有优良的绝缘性能。PBT是另一种热塑性材料，可在-50-150℃下工作，这也是电力电子设备典型的工作温度范围，它同样能承受最高温度280℃。PBT是一种硬质材料，硬度高，不易变形。另外，它还具有摩擦系数大、耐磨性能好、电绝缘性能好等特点。但 PBT比 PPS的 CI值更低。

在2.5~6.5 kV高压 IGBT模块中， PPA (聚邻苯二甲)、 PA (聚酰胺)和 PET (聚对苯二甲酸乙二醇酯)塑料得到了越来越多的应用。符合NFF16101标准的要求，这些塑料具有良好的电绝缘性，并且 CTI值大于400。

IGBT模块衬底

对于小功率应用来说， IGBT模块(DCB或 IMS模块)通常没有衬底。而且在大中功率的应用中， IGBT几乎有一块基板。衬底一般由铜制成，厚度为3~8毫米，镀镍3~10μ m。可以使用其他替代材料作为衬底，例如 ASIC (碳化硅铝)，或者 Cu/Mo (铜钼)合金，这是肯定不常用的。图1给出了安装示例。

衬底不是平的，但有一点弯曲，并且可以是凸面或凹面。这一弯曲保证了当基板随温度升高而膨胀时，与冷却介质的热接触最好。与 DCB膨胀不同的是，这种膨胀与内外温差会引起衬底热胀冷缩。很明显，生产商通常的做法是优化衬底和冷却介质之间的热阻，以降低高温下的温度。在低温时，热阻优化是次要的。

IGBT模块的 DCB衬底功能

DCB衬底(DCB)或简单的 DCB是电力电子领域中使用最广泛的基底材料。从开始制造 IGBT模块以来， DCB就开始使用 DCB。DCB衬底最初仅用于铜基板。目前， DCB已经成为许多 IGBT模块的解决方案，甚至没有基板模块也需要衬底。

DCB衬底包括绝缘陶瓷和它们附在一起的铜，它们在高温下熔化，然后通过扩散过程与陶瓷相结合，具有很强的粘结强度，如图1所示。DCB可用于铜的表面涂层，也可在铜表面镀镍。为防止焊接过程中半导体芯片位置的偏移，部分生产厂家还在 DCB上添加了层状阻焊剂。常见的陶瓷主要有氧化铝(Al 2 O 3)、氮化铝(AIN)、氮化硅(Si 3N4)。在 IGBT模块中，基片起着重要作用，因为与其他绝缘材料相比，基片具有较低的热阻(氧化铝：24 W/(m· K)，氮化铝：130~180 W/(m· K)和优越的比热容，而且铜涂层具有优良的热传导特性。由于氧化铝(7.1 ppm/K)和氮化铝(4.1 ppm/K)的热膨胀系数远低于金属和塑料的热膨胀系数，因此更适合用于硅半导体(4.0 ppm/K)的衬底，确保芯片承受较低的机械应力。因为基片采用纯铜，并且通过底板或散热器来散热，因此即使对于 IGBT模块有高达3.6 kA额定电流的 IGBT模块， DCB也有足够的电流容量。可在印刷线路板的同一层上进行布局，先在表面镀镍、镍/金合金，再加上阻焊层。